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原文传递基于粘弹性损伤及断裂力学的沥青混合料路用性能细观仿真研究

论文题名：	基于粘弹性损伤及断裂力学的沥青混合料路用性能细观仿真研究
关键词：	沥青混合料;粘弹性损伤;断裂力学;路用性能
摘要：	本文以宏细观相结合的方法，研究细观因素对沥青混合料宏观性能的影响，分析疲劳损伤和低温断裂病害的内在机理。由于细观因素难以通过试验手段有效地体现，而且细观层面的影响因素众多，需要消耗大量的时间和经济成本开展全面的试验研究，因此本文以室内宏细观试验为基础，主要通过虚拟随机试件生成以及有限元仿真模拟，对沥青混合料细观结构的力学性能进行分析。本论文主要开展了如下工作：　　（1）基于沥青混合料的细观结构，提出了包含集料、砂浆以及沥青-集料界面的三相本构模型框架来表征沥青混合料细观结构的力学性能。　　（2）本构理论方面，首先系统地梳理了现有的分数阶粘弹性本构模型，选取分数阶Zener模型表征沥青砂浆以及界面的粘弹性力学行为。基于Mittag-Leffler函数实现了分数阶Zener模型的频域-时域转化，得到时域下的松弛模量。进而基于有限元理论和全局Padé近似，实现了分数阶Zener模型的数值算法。其次，根据粘弹性连续损伤力学理论（VECD）框架，将分数阶Zener模型与VECD结合起来，提出了表征沥青砂浆疲劳损伤发展的损伤模型。最后，基于粘聚带断裂模型（CZM）框架，采用分数阶Zener模型表征张力-位移响应，通过能量法建立损伤演化方程，重点关注混合断裂模式下的损伤判据和演化规律，提出了表征沥青砂浆内部和沥青-集料界面开裂行为的断裂模型。　　（3）设计了一整套包含五种室内试验的试验方案，分为细观层面的参数获取试验和宏观层面的模型验证试验。采用原位对称拉压试验仪，通过小尺寸的原位拉伸疲劳试验获取VECD模型参数；通过原位拉伸断裂试验获取CZM模型参数。采用UTM试验仪，通过动态模量试验获取分数阶粘弹性模型参数并验证细观动态模量有限元模型；通过四点弯曲疲劳寿命试验验证细观疲劳损伤有限元模型；通过半圆弯曲断裂试验验证细观断裂有限元模型。其中，采用自行设计的原位对称拉压试验仪夹具以及界面试件成型方法，实现了不同断裂模式的加载，准确地获取了砂浆和界面的CZM模型参数。　　（4）基于细观有限元模型，模拟了动态模量试验，计算了动态模量和相位角主曲线，与室内试验结果进行了对比。分析了集料模量对于动态模量及相位角主曲线的影响，并且提出了修正参数方法，大大提高了数值模拟对于相位角主曲线低频区域的预测精度。　　（5）建立了细观疲劳损伤有限元模型，用VECD模型表征砂浆中的损伤演化、CZM模型表征界面上的损伤演化。首先，通过与四点弯曲疲劳寿命试验数据的对比，验证了该模型的有效性。然后，以宏观路面力学响应作为输入荷载，建立沥青层底局部区域的细观模型作为分析对象。分析了级配、集料方向角、空隙率三个细观特征因素对于沥青混合料宏观疲劳损伤性能的影响。最后，分析了超载、沥青层厚度两个宏观特征因素对于沥青混合料疲劳损伤性能的影响。　　（6）建立了基于显式算法的细观断裂有限元模型。通过节点重编辑方法实现了CZM单元的批量插入。通过与室内半圆弯曲试验的对比验证了该模型的有效性。分析了最大粒径、集料方向角、集料长宽比三个集料几何特征对于沥青混合料抗裂性的影响。最后，分析了空隙率、空隙大小两个空隙几何特征对于沥青混合料抗裂性的影响。
作者：	顾临皓
专业：	交通运输工程;道路与铁道工程
导师：	马涛
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2019
正文语种：	中文